regi.tankonyvtar.hu · web viewaz energetika az energiahordozók és források kitermelésével/...

ENERGETIKAI ALAPISMERETEKHagymássy, Zoltán

Created by XMLmind XSL-FO Converter.

ENERGETIKAI ALAPISMERETEK:Hagymássy, Zoltán

Publication date 2013Szerzői jog © 2011 Debreceni Egyetem. Agrár- és Gazdálkodástudományok Centruma


Tartalom ............................................................................................................................................................. 51. 1. Energia fogalma, típusai, energia átalakítási lehetőségek ............................................................ 1

1. 1.1. Energia fogalma .............................................................................................................. 12. 1.2. Energia átalakítások típusai ............................................................................................. 33. 1.3. Energia hordozók Magyarországon ................................................................................ 44. 1.4. Tendenciák az energiahordozók felhasználásában. ......................................................... 5

2. 2. Gázok tulajdonságai, állapotváltozásai, körfolyamatok .............................................................. 71. 2.1. Gázok tulajdonságai ........................................................................................................ 72. 2.2. A víz fázis diagramja ....................................................................................................... 73. 2.3. Állapotváltozások ............................................................................................................ 84. 2.4. Kalorikus gépek elméleti körfolyamatai ......................................................................... 9

3. 3. Folyadékok mechanikája, szivattyúk ......................................................................................... 111. 3.1. Folyadékok mechanikája ............................................................................................... 112. 3.2. Szivattyúk csoportosítása .............................................................................................. 133. 3.3. Perdületváltozás elvén működő szivattyú: Centrifugál szivattyú ................................. 134. 3.4. Térfogat kiszorítás elvén működő szivattyúk: .............................................................. 14

4. 4. Termodinamika alapjai ............................................................................................................... 191. 4.1. Fizikai alapok ................................................................................................................ 192. 4.2. Intenziv állapotjelzők .................................................................................................... 203. 4.3. Extenzív állapotjelzők ................................................................................................... 214. 4.4. A termodinamika fő tételei: ........................................................................................... 225. 4.5. Állapotváltozások .......................................................................................................... 23

5. 5. Hagyományos, fosszilis energiahordozók, szén, kőolaj földgáz ............................................... 241. 5.1. Szén ............................................................................................................................... 242. 5.2. Kőolaj ............................................................................................................................ 253. 5.3. A Földgáz ....................................................................................................................... 27

6. 6. Belsőégésű motorok ................................................................................................................... 281. 6.1. Motorok csoportosítása ................................................................................................. 282. 6.2. Kétütemű Otto (benzin) motor működése ..................................................................... 283. 6.3. Négyütemű Otto (benzin) motor működése .................................................................. 284. 6.4. A 4 – ütemű diesel motor működése ............................................................................. 29

7. 7. Motorok hatásfoka, teljesítménye .............................................................................................. 321. 7.1. Motorok valóságos körfolyamatai ................................................................................. 322. 7.2. Motorok teljesítménye, hatásfoka ................................................................................. 333. 7.3 Üzemanyag befecskendezés ........................................................................................... 35

8. 8. Hőerőművek energia ellátása. Kazánok, gőzturbinák ................................................................ 371. 8.1. Hőerőművek körfolyamata ............................................................................................ 372. 8.2. Kazánok ......................................................................................................................... 373. 8.3. Gőzturbinák: .................................................................................................................. 38

9. 9. Gázturbinák, kapcsolt és kombinált ciklusú erőművek ............................................................. 411. 9.1. Gázturbina ..................................................................................................................... 412. 9.2. A kapcsolt energiatermelés ............................................................................................ 42

10. 10. Atomerőművek ....................................................................................................................... 461. 10.1. Atomerőműben lejátszódó folyamat ........................................................................... 462. 10.2. A hasadó anyag bányászata, előkészítése .................................................................... 463. 10.3. A reaktor felépítése ...................................................................................................... 464. 10.4. Az atomerőmű-építés fejlődése: .................................................................................. 47


ENERGETIKAI ALAPISMERETEK

5. 10.5. Atomerőmű Paks: adatok ............................................................................................ 4911. 11. Vízerőgépek, szélerőgépek .................................................................................................... 50

1. 11.1. Vízenergia .................................................................................................................... 502. 11.2. Vízerőművek ............................................................................................................... 503. 11.3. A vízturbinák .............................................................................................................. 514. 11.4. A szélenergia hasznosítása ........................................................................................... 53

12. 12. Elektromos energia ellátás ..................................................................................................... 561. 12.1. Elektromos energia ...................................................................................................... 562. 12.2. Magyarország villamos energia rendszere .................................................................. 583. 12.3. A villamos energia hálózat elemei: .............................................................................. 584. 12.4. Aszinkron villanymotor ............................................................................................... 59

13. 13. A napenergia hasznosítása ...................................................................................................... 611. 13.1. A napsugárzás .............................................................................................................. 612. 13.2. Fototermikus hasznosítás: (napkollektor) .................................................................. 623. 13.3. Fotovillamos napenergia hasznosítás (napelemek) ..................................................... 66

14. 14. Energiatermelés biomasszából .............................................................................................. 681. 14.1. A szilárd halmazállapotú biomassza ........................................................................... 682. 14.2. A betakarítás, apríték készítés ..................................................................................... 693. 14.3. Energetikai tömörítvények .......................................................................................... 704. 114.4. Kazánok ..................................................................................................................... 72

15. 15. Energia gazdálkodási alapfogalmak, energia felhasználás lehetőségei ................................. 731. 15.1. Erőművek hatásfoka .................................................................................................... 732. 15.2. Energiatermelés és felhasználás ................................................................................. 74

16. Felhasznált irodalom .................................................................................................................... 771. 1. fejezet ............................................................................................................................... 772. 2. fejezet ............................................................................................................................... 773. 3. fejezet ............................................................................................................................... 774. 4. fejezet ............................................................................................................................... 775. 5. fejezet ............................................................................................................................... 776. 6. fejezet - 7. fejezet ............................................................................................................. 777. 8. fejezet ............................................................................................................................... 778. 9. fejezet ............................................................................................................................... 789. 10. fejezet ............................................................................................................................. 7810. 11. fejezet ........................................................................................................................... 7811. 12. fejezet ........................................................................................................................... 7812. 13. fejezet ........................................................................................................................... 7913. 14. fejezet ........................................................................................................................... 7914. 15. fejezet ........................................................................................................................... 79


"Bioenergetikai mérnök MSc szak tananyagfejlesztése" című

TÁMOP-4.1.2.A/1-11-/1-2011-0085 sz. projekt

ISBN 978-963-473-695-0; ISBN 978-963-473-696-7 (online)


1. fejezet - 1. Energia fogalma, típusai, energia átalakítási lehetőségek1. 1.1. Energia fogalmaAz energia fogalma:

• Filozófiai szint: az anyag egyik megnyilvánulási formája

• Max Plank: valamely rendszernek az a képessége, amelynek révén a környezetére hatást képes gyakorolni, pl. munkavégzés útján.

• Közbeszédben: munkavégző képesség

Fontosabb fizikai mennyiségek:

Az energia mértékegységei:

• 1 J = 1 Nm (kJ, MJ, GJ, TJ, PJ, EJ)

• 1 cal = 4,19 kJ

• 1 Wh = 3,6 kJ

• 1 eV = 1,602 19×10-19 J

Energiaellátás fő területei

• Energia termelés (kazántelepek, fűtőművek, erőművek)

• Energia szállítás (pl. villamos hálózaton)


1. Energia fogalma, típusai, energia átalakítási lehetőségek

• Energia szolgáltatás (elosztó rendszer, szolgáltatók)

Energetika

Az energetika az energiahordozók és források kitermelésével/ hasznosításával, szállításával, átalakításával és felhasználásával kapcsolatos műszaki, gazdasági, környezeti és társadalmi feladatok összessége.

Az energiaellátással foglalkozó szaktudomány, ill. szakágazat (ipar).

• Fő sajátossága: érzékenyen reagál a társadalmi-gazdasági viszonyokra, és jelentősen visszahat azokra (stratégiai ágazat)

• Fő területei: bányászat (szén, kőolaj); szénhidrogén ipar (kőolaj feldolgozás); villamosenergia-ipar (teljes vertikum)

Alap (primer) energiahordozók: energetikailag hasznosítható ásványi anyagok

1. uránérc

2. hidrogén

3. kőszén

4. kőolaj

5. Földgáz

Alap (primer) energiaforrások: munkavégzésre használható természeti erők

1. napsugárzás

2. szél

3. árapály

4. hullámzás

5. tengeráramlatok

6. víz körforgása

7. biomassza

8. geotermikus energia

Átalakított (szekunder) energiahordozók: a primer energiahordozóktól fizikai tulajdonságaikban különböző anyagok

• kőszén > koksz, városi gáz

• kőolaj > benzin, gázolaj

• földgáz > (cseppfolyós földgáz)

• uránérc > fűtőelem

• víz > gőz, meleg víz

Végső energiahordozók: az átalakított (szekunder) energiahordozóktól fizikai és kémiai tulajdonságaikban különböző energiahordozók

• forró víz

• gőz



• villamos energia

Hasznos energiahordozók: a fogyasztó szempontjából hasznos energiaformák

• mozgási

• helyzeti

• fényenergia

2. 1.2. Energia átalakítások típusaiGépek csoportosítása energetikai szempontból

• Energiát termelő (felszabadító) gépek

• Energiát fogyasztó (hasznos munkát végző) gépek

• Energiát szállító és/vagy paramétereit átalakító gépek

Energia termelés fajtái:

Közvetlen energiatermelés

• hő → fűtőmű

• villamos energia → erőmű

Kapcsolt energiatermelés

• fűtőerőmű

Kombinált ciklusú kapcsolt energiatermelés

• villamos energia → kombinált ciklusú erőmű

• vill. en. + hő → kombinált ciklusú fűtőerőmű

Energiaátalakítás:

Az energiafajták egymásba átalakulhatnak, ill. átalakíthatók.

• Közvetlen átalakítás (pl. napenergia>villamos energia)

• Közvetett: közbenső energiafajtákon keresztül kapjuk az un. végső energiát (erőműben: vegyi >hő >mechanikai >villamos)

Az átalakítás veszteséges

1. Hatásfok: hasznos energia/bevezetett energia (%)

2. Energetikai hatékonyság: az energiafelhasználás eredményessége (összehasonlítás céljára)

3. Energia igényességi mutató: egységnyi gazdasági eredmény előállításához szükséges primer energia mennyisége

Energia átalakítások típusai

1. Tüzelőanyag elő feldolgozás:

2. Hőtermelés: A hőt közvetlenül forró víz és gőzkazánokban, fűtőművekben állítják elő

3. Villamos energiatermelés:



3. 1.3. Energia hordozók Magyarországon

Magyarország ellátottsága a jelenlegi termelés szintjén (jelenleg gazdaságosan kitermelhetők)

• Lignit: >300 év Magyarország hatalmas lignit vagyonnal rendelkezik. A lignitvagyon akár

• Barnaszén: >100 év

• Feketeszén: 2004 óta nincs termelés, de a szénvagyon jelentős

• Kőolaj: 20 év

• Földgáz: 22 év (1000 év)

Földgáz esetén alapvető fontosságú a "Makói árok"-ban felfedezett (3000 - 6000 m mélységű) földgáz. Kitermelési technológiája még nem kidolgozott.

Hazai kitermelés évente:



• Lignit: 8,4 Mt

• Barnaszén: 1,3 Mt

• Kőolaj: 838 kt

• Földgáz: 2,65 Mrd m3

4. 1.4. Tendenciák az energiahordozók felhasználásában.Energiahordozók szerepe a Villamos Energia (VE) termelésben

1. Szén

Legszélesebb körben alkalmazott energiahordozó

• 2006-ban 41,1%-os részarány


2. Földgáz

A 2. leggyakoribb energiahordozó a VE termelésben

• 2006-ban 20%-os részarány


Legnagyobb mértékű várható növekedés a megújulók után

Folytatódik a 80-90-es években megkezdődött gázerőmű építési hullám

Kombinált ciklusú erőművek

Környezetkímélőbb mint a szén

3. Megújulók

A 3. helyezés a VE termelésben



Legjelentősebb növekedés, de a nagy áttörés még hátra van

Vízenergia – legmeghatározóbb, de csökkenő súlyú

Szélenergia – leginkább növekvő szerep

Geotermikus energia – relatív nagy növekedés, arányaiban stagnálás

Egyéb megújulók (napenergia stb.) - relatív nagy, arányaiban kisebb növekedés

4. Urán (atomenergia)

A 4. helyezés a VE termelésben





Legnagyobb termelők: USA, Franciaország, Japán, Oroszország, Korea, Németország

Legnagyobb várható erőmű fejlesztések: Kína, India, Oroszország, USA

5. Kőolaj és származékai

Legkisebb szerepű energiahordozó a VE termelésben



Stagnáló szerep:

70-es évek kőolaj válságai és kapcsolódó áremelkedések miatt

Aktuális gazdasági válság -> pár éven belül az árak növekedésével csökkenés várható


2. fejezet - 2. Gázok tulajdonságai, állapotváltozásai, körfolyamatok1. 2.1. Gázok tulajdonságaiGázok:

Az anyagi részecskék olyan halmaza, amelyre az jellemző, hogy:

• nincs saját alakja,

• kitölti a rendelkezésre álló teret,

• gyenge kölcsönhatás a részecskék között

Hőkörfolyamatok ábrázolása.

• p-V diagramban (hagyományos)

• T-s (hőmérdóséklet-entrópia) diagramban

Ideális körfolyamat:

• veszteségmentes, reverzibilis állapotváltozásokból áll

• hőkőzlés és hőelvonás állandó hőmérséklet mellett

• kompresszió és expanzió állandó entrópia mellett.

2. 2.2. A víz fázis diagramjaA folyadék-gőz fázisgörbét párolgási, a szilárd-folyadék görbét olvadási, míg a szilárd-gőz fázisgörbét szublimációs görbének nevezzük. A párolgási és a szublimációs görbe meredeksége mindig pozitív

A kritikus pont felett nem lehet különbséget tenni a folyadék és a gőz állapot között, mivel e pontban a gőz sűrűsége eléri a vele egyensúlyban lévő folyadékfázis sűrűségét

A hármaspont "T" az anyag meghatározott hőmérséklete és nyomása, amelyiken 3 fázisa (pl. folyadék, szilárd, légnemű) egymással termodinamikai egyensúlyban van.

A gyakorlatban legtöbbet alkalmazott víz-vízgőz közegre vonatkozó T–s diagramja

A vízgőz p-v diagramja

A p–v síkban az izotermák hiperbolikus jellegűek. A telítési görbe közelében a hiperbolikus jelleg torzul, majd telítési görbét elérve megtörik és a kétfázisú mezőben egyenessé válik. A fázisátalakulás végeztével az izoterma ismét megtörik, majd jellege újra hiperbolikussá válik.

Általános gáztörvény

A tökéletes gáz állapotegyenletéből következik, hogy állandó nyomáson és hőmérsékleten a gáz térfogata a molekulák számával arányos.

Ebből következik Avogadro tétele is, amely szerint ugyanazon a hőmérsékleten és nyomáson, azonos térfogatban azonos számú molekula van.


2. Gázok tulajdonságai, állapotváltozásai, körfolyamatok

• n: anyagmennyiség [mol]

• p: nyomás

• V: térfogat

• T: hőmérséklet

• R anyagi jellemző, a specifikus gázállandó

• 1 kg gáz 1 K-nel történő hőmérsékletváltozásához tartozó terjeszkedési munka.

3. 2.3. ÁllapotváltozásokÁllandó térfogatú állapotváltozás: Izochor

Izochor folyamatról akkor beszélünk, amikor zárt rendszer állapotváltozása során a térfogat állandó marad, csak a nyomás és a hőmérséklet változik. Ha a gáz állandó térfogatú edénybe van bezárva, akkor melegítés hatására nő a nyomása, hűtésnél pedig csökken.

Állandó nyomású állapotváltozás: Izobár

Izobár folyamatoknál a gáz nyomása nem változik. A gáz térfogata és hőmérséklete közötti kapcsolat az állapotegyenlet segítségével határozhatjuk meg. Eszerint állandó nyomáson a térfogat arányos a hőmérséklettel.

Állandó hőmérsékletű állapotváltozás Izotermikus

Izoterm állapotváltozás során a nyomás és a térfogat változik.

Zárt rendszerben a tökéletes gáz izotermikus változását a p-V síkon egyenlőszárú hiperbola ábrázolja. Mivel az állandó értéke függ a hőmérséklettől, ezért különböző hőmérsékleteknek különböző hiperbola felel meg.

Adiabatikus állapotváltozás

Adiabatikus állapotváltozás során a rendszer nem cserél hőt a környezetével. Így a rendszer entrópiája a folyamat során nem változik.

A politropikus állapotváltozás

Politropikus állapotváltozáson esik át az a TDR, melynek fala rugalmas és diatermikus, továbbá egyetlen állapotjelzője sem marad állandó az állapotváltozás során.



A munka.

Az elemi térfogatváltozási mechanikai munka a nyomás és az elemi térfogatváltozás szorzataként írható fel.

4. 2.4. Kalorikus gépek elméleti körfolyamataiA körfolyamatok munkaközege többnyire gáz vagy gőz. Azokat a körfolyamatokat, melyekben a munkaközeg mindvégig gázfázisban van jelen gázkörfolyamatoknak nevezzük. A gőzkörfolyamatokban többnyire a gőz és folyadék állapot egyszerre fordul elő, kihasználva a fázisátalakulásokat is.

A gáz munkaközegű körfolyamatok közül legismertebbek belsőégésű motorok és a gázturbinák körfolyamatai. Ezen körfolyamatok közös jellemzője, hogy a hőközlés nem hőcserélőn keresztül, hanem az üzemanyagnak a levegőben történő elégetésével megy végbe, tehát a munkaközeg kémiai összetétele a körfolyamat során változik, ami nagyban megnehezíti a folyamatok követését

Az Ottó-körfolyamat a p-v koordinátarendszerben

A gázturbina-körfolyamat a p-v koordinátarendszerben

Mivel a folyamat közben a munkaközeg kémiai összetétele megváltozik, ezért számításainkhoz a fenti nyitott gázturbina körfolyamatot egy zárt, mindvégig azonos összetételű munkaközeggel dolgozó körfolyamattal helyettesítjük



A Rankine-Clausius körfolyamat

A legfontosabb munkaszolgáltató körfolyamat a hő- és atomerőművekben megvalósított, víz-vízgőz munkaközegű RANKINE-körfolyamat.

A folyamat a következő főbb folyamatokra bontható fel.

1. A tápszivattyú által szállított nagynyomású vizet a kazánban először a telítési hőmérsékletére melegítik, majd elgőzölögtetik, végül túlhevítik.

2. Ez a nagynyomású és nagyhőmérsékletű gőz a turbinába kerül, ahol belső energiája egy részét mechanikai munkává alakítjuk.

3. A kisnyomású és alacsony hőmérsékletű gőz a kondenzátorba kerül, ahol fázisváltozáson megy keresztül (kondenzálódik), a kondenzáció során elvont hő a környezetbe kerül.

4. A kondenzátorból a csapadék a tápszivattyúba jut.


3. fejezet - 3. Folyadékok mechanikája, szivattyúk1. 3.1. Folyadékok mechanikájaIdeális folyadék (közeg)

• Homogén

• Súrlódásmentes

• Összenyomhatatlan

Sűrűség :

Fajtérfogat:

(a sűrűség reciproka):

Hőmérséklet (a közeg belső energiaszintjének mértéke). T ; t ; K =° C +273,15

Nyomás: az egységnyi felületre eső, a felületre merőleges nyomóerő:

Kontinuitási törvény: (Folytonossági)

A (m2) a vizsgált szelvény területe,

v (m/s) az A szelvény általános pontjában a sebesség

Bernoulli-egyenlet:


3. Folyadékok mechanikája, szivattyúk

Helyzeti energia magasság (Hh)

Nyomási energia magasság(Hp)

Mozgási energia magasság(Hm)

Bernoulli-egyenlet ideális folyadékokra:

Szivattyú emelő magassága:

Statikus emelő magasság:

Ahol:

• H= Hsz +Hny [m]

• d Cső belső átmérője [m]

• g nehézségi gyorsulás [m/s2]

• ρ sürüség [kg/m3]

Manometrikus szállító magasság:

Csővezeték veszteségmagassága:

Ahol:

• h’ veszteség magasság [m]

• d Cső belső átmérője [m]

• l egyenértékű csőhossz [m]

• v folyadék középsebessége a csőben [m/s]





Manometrikus szállító magasság:

A szivattyút hajtó motor teljesítménye:

Ahol:

• Q szállitott foly. menny. [l/min]

• H man. Szállítómagasság [m]



• η szivattyú hatásfoka

A szivattyú hatásfoka:

2. 3.2. Szivattyúk csoportosításaPerdűletváltozás elvén működő:

• Centrifugál szivattyú

Térfogat kiszorításos szelepes:

• Dugattyús szivattyúk

• Membrán szivattyúk

Volumetrikus :

• Fogaskerék szivattyúk

• Axiál és a radiál dugattyús szivattyúk

• Csavarszivattyúk

• Lamellás szivattyúk

3. 3.3. Perdületváltozás elvén működő szivattyú: Centrifugál szivattyúCentrifugál szivattyú fő részei:



Euler féle turbinaegyenlet:

Centrifugál szivattyú jelleggörbéje:

Szivattyúk légtelenítése:

A szivattyúkat (csavarlapátos, szárnylapátos, centrifugál) indítás előtt vízzel kell feltölteni (légteleníteni kell).

A légtelenítés módja:

• a szivattyúházon keresztül kézi feltöltés

• kézi szivattyúval való levegő eltávolítás

• kisméretű szivattyúval való feltöltés

• kipufogó gázzal, légsugár szivattyú elven történő levegő eltávolítás.

A szívócső végén alkalmazott visszacsapó szelep megakadályozza a víz visszafolyását a szívócsőből, ezért ismételt indításnál a légtelenítésre nincs szükség.

4. 3.4. Térfogat kiszorítás elvén működő szivattyúk:1. Dugattyús szivattyú.

Dugattyús szivattyú által szállított folyadék mennyiség:



2. Membrán szivattyú

a. Közvetlen működésű (p= 15-20 bar)

b. Közvetett működésű membrán szivattyú (p= 30-40 bar)



Volumetrikus szivattyúk:

Fogaskerék szivattyú:

Csavar szivattyú

Lapátos szivattyú:



Axiáldugattyús szivattyú:

Axiáldugattyús szivattyú fő részei:

1. Forgó dugattyútest

2. Ház

3. Dugattyúk

4. Tengely

5. Mozgató lap

6. Vezérlőcsatorna test

7. Nyomócsonk

8. Szívócsonk

Radiáldugattyús szivattyú:


4. fejezet - 4. Termodinamika alapjai1. 4.1. Fizikai alapokTermodinamika: (hőtan) A fizika hőjelenségekkel foglalkozó területe.

Az energia egyik formából a másikba történő átalakulásával foglalkozik.

Tapasztalati eredményekből leszűrt alapvető törvényszerűségeken nyugszik, melyeket főtételeknek nevezünk.

• Hőmérséklet (t oC, T K). A testek (közegek) hőegyensúlyi állapotára, a tárolt (hő)energiára jellemző fizikai paraméter.

• Hőfolyamat. A testek hőmérsékletének (nyomásának) változásával járó fizikai változás.

• Hőmennyiség (Q J). A hőfolyamat során átadott energia.

• Munka (W J). A munkavégzés során átadott energia.

• Hőszigetelő. Az energiacserét kizáró anyag.

• Zárt rendszer. Az energiacserét kizáró (hőszigetelővel körbezárt) rendszer.

• Hőhordozó közegek. Reális hőfolyamatok (Hőátadás, hővezetés, hőcsere, melegítés, hűtés, elgőzölögtetés, expanzió stb.) megvalósítására alkalmas közegek:

• folyadékok (pl. víz, folyékony Na)

• gőzök (pl. vízgőz, szerves vegyületek gőzei)

• gázok (pl. levegő, H, O2, N, CO2).

• Munkaközeg. Munkavégzésre alkalmazott hőhordozó.

• a vízgőz expanziója közben munkát végez (gőzturbina)

• A gáz expanziója közben munkát végez (gázturbina)

Állapotjelzők:

Az állapot jellemzése makroszkopikusan mérhető mennyiségekkel történik, ezek az állapotjelzők.

Az alap-állapot jelzők:

• tömeg (anyagmennyiség) m, térfogat V, nyomás (p), hőmérséklet (T)

Intenzív állapotjelzők: ezek a rendszer minden pontján, azonos értékűek

• nyomás

• hőmérséklet

• fajtérfogat

Extenzív (kiterjedéssel arányos) állapotjelzők:

• tömeg m

• térfogat V

• energiák, Q, W, E


4. Termodinamika alapjai

• entalpia, H

• entrópia, s

2. 4.2. Intenziv állapotjelzőkA hőmérséklet:

A hőmérséklet fogalma a hideg – melegérzetből fejlődött ki.

A ma legelterjedtebb hőmérsékletskálát 1742-ben javasolta a svéd Andres Celsius.

A hőmérséklet mérése:

1. higanyos hőmérő

2. alkoholos hőmérő

3. gáz hőmérők

4. fém rudas hőmérők

5. bimetál hőmérők

6. ellenállás

7. termisztor/termoelem infravörös hőmérők

A nyomás

p = F/A × (nyomóerő/felület) (N/m2)

Egysége: Pascal (N/m2)

1 bar = 105 Pa

1 atm = 1,013 ×105 Pa

1 torr = 1 Hgmm: 1 mm magas higanyoszlop nyomása

abszolút nyomás (abszolút vákuumhoz képest)

nyomáskülönbség (relatív nyomás)

túlnyomás (környezethez képest)

A nyomás mérése:

Csőrugós manométer

• Bourdon-rugó

• méréstartomány 10.000 bar-ig

• túlterhelhető (nem megy vissza a 0-ra)

Membránmanométer

• méréstartomány 0,01 ... 25 bar

• kevésbé rezgésérzékeny, mint a csőrugós manométer

Szelencés manométer szelence két oldala két membrán kis nyomások mérésére: 0 – 2,5 bar



Ellenállásos nyomásérzékelő nyúlásmérő bélyeg mechanikailag méretezett hordozóelemen (membrán)

Mágneses (induktív) nyomásérzékelő

Kapacitív nyomásérzékelő

Piezoelektromos nyomásérzékelő

Sűrűség (tömeg/térfogat):

Fajtérfogat (a sűrűség reciproka)

3. 4.3. Extenzív állapotjelzőkTérfogat: V m3, dm3 (liter)

Tömeg: m kg

• Fűtőérték Tüzelőanyagok "kötött" energiája. H= kJ/kg

• Hőenergia. Q=(J)

• Munka. W= (J)

• Villamos energia. E=kWh

Fűtőérték H (MJ/kg)

• Szénhidrogének:

• kőolaj: ≈42 MJ/kg,

• földgáz: ≈34 MJ/Nm3 → ≈47 MJ/kg,

• PB gáz ≈ 45 MJ/kg.

• szén:

• 26-28 MJ/kg (antracit),

• 20-25 MJ/kg (kőszén),

• 12-18 MJ/kg (barnaszén),

• kisebb, mint 10 MJ/kg (lignit)

Munka: W

A mechanikai munka az erő és az elmozdulás skalárszorzata:

Termodinamikában a legtöbbet a térfogati munkával találkozunk.



Hőenergia: Q (J)

Melegítés-hűtés:

Q = c • m • DT c = fajlagos hőkapacitás (fajhő) [J/kg•K]

A fajhő annak a hőnek a számértéke, amely 1 kg tömegű anyag hőmérsékletét 1 °C = 1 K-kal emeli.

Néhány anyag fajhője (kJ/kg°C):

• víz - 4,186

• jég - 2,1

• alkohol - 2,39

• higany - 0,14

• acél - 0,46

Entalpia

A folyamatok egy részében gyakori az állandó nyomás. Ezért definiáltak egy olyan függvényt, amellyel az állandó nyomáson végbemenő folyamatokat jellemezhetjük.

4. 4.4. A termodinamika fő tételei:A termodinamika 0. főtétele

Az egyensúly szükséges és elégséges feltétele, hogy a kölcsönhatás valamennyi intenzív mennyisége (a rendszeren belül) homogén eloszlású legyen. A termikus egyensúly feltétele a hőmérséklet egyenlősége.

A termikus egyensúly feltétele a hőmérséklet térbeli állandósága

A termodinamika I. főtétele

Energia megmaradás törvénye!

Nem lehet olyan gépet készíteni, amely több energiát termel, mint fogyaszt

A termodinamika I. főtétele.

ΔU = Q + W ,

ahol U a belső energia = hőenergia +. (Pl. térfogati munkavégzés).

A termodinamika II. főtétele

(folyamatok tendencia törvénye):

Második főtétel = a termodinamikai a folyamat mindig a kisebb valószínűségű állapotból a nagyobb valószínűségű állapotba tart.

Az egyensúlyában megzavart, majd magára hagyott rendszer a valószínűbb állapotok felé tart, s annál nagyobb sebességgel minél nagyobb a rendszeren belüli inhomogénitás.

Entrópia növekedés: (dS>0)

• hA természetben minden folyamat megfordíthatatlan (irreverzibilis).

Transzport folyamat:



• Transzport folyamat. Olyan kiegyenlítődési folyamat, amely valamely extenzív mennyiség árama, a meghatározott intenzív mennyiség (fenntartott) inhomogenitása következtében jön létre.

• Termodinamikai hajtóerő. Valamely intenzív állapotjelző inhomogenitásával arányos hatás, amely meghatározott extenzív mennyiség áramát idézi elő (ill. tartja fenn).

Például: - nyomáskülönbség > térfogatáram - hőmérsékletkülönbség > hőáram.

A hőátadás történhet:

• Sugárzással. Így melegíti a Földet a Nap. Nem kell közeg hozzá

• Hővezetéssel. Az anyagot felépítő részecskék egymásnak adják át a rendezetlen mozgási energiát, helyváltoztatás nélkül.

• Áramlással. Folyadékokban és gázokban áramlással terjed a hő.

5. 4.5. ÁllapotváltozásokÁllapotváltozások. A testek/közegek állapotjelzőinek megváltozásával járó folyamatok. Fontosabb hőtani állapotváltozások:

• hőtágulás (lineáris, térfogati)

• halmazállapot változások.

• folyadékok, gőzök, gázok nyílt termodinamikai folyamatai (pl. ideális gázok > gáztörvények).

A hőkörfolyamatoknál a két utóbbinak van fontos szerepe.

A lineáris hőtágulás:

Dl= α • l0 • DT Ahol : α lineáris hőtágulási együttható l0 eredeti hossz DT hőmérséklet változás

lineáris hőtágulási együtthatót szilárd testek esetében

térfogati hőtágulás szilárd és folyékony anyagokra

Műszaki példák: Hidak tágulása: görgők, tágulási hézagok Vasúti sínek: tágulási hézagok, erős alap Távvezetékek: nyáron jobban lelógnak Csövek: meghajlított szakaszok Vasbeton: együtt kell táguljanak Lakk, zománcrétegek: megrepedeznek, ha nem együtt tágulnak

Elsőrendű fázisátalakulások:

• Olvadás - szilárd fázisból folyadékba

• Párolgás/Forrás - folyadék fázisból gőz fázisba

• Szublimáció - szilárd fázisból gőz fázisba

• Fagyás - folyadék fázisból szilárd fázisba

• Kondenzáció - gőz fázisból folyadék vagy szilárd fázisba

• Átkristályosodás - szilárd fázisból más szerkezetű szilárd fázisba


5. fejezet - 5. Hagyományos, fosszilis energiahordozók, szén, kőolaj földgázÁsványi energiahordozók

Természeti erőforrás: az ember által hasznosítható természeti adottság

Ásványi energiahordozók (Kimerülő energiahordozók )

Kémiai tüzelőanyagok

1. szén

2. kőolaj

3. földgáz

4. egyéb éghető anyagok

• Nukleáris üzemanyagok

1. 5.1. SzénKiinduló anyag: cellulóz, hemicellulóz, pektinek, gyanták, zsírok, viaszok, fehérjék.

Szénképződés fázisai

• tőzegesedés,

• szénülés.

Szén kitermelés és szállítás

Külszíni fejtés

• fiatal szenek;

• nagy anyagmennyiség mozgatása → rekultiváció;

• kis távolságú szállítás → bánya-erőmű integráció;

• szállítás: szállítószalag, kötélpálya, vasút.

Mélyművelésű bányák

• jó minőségű (öregebb) szenek;

• veszélyes üzem (vízbetörés, sújtólégrobbanás, szénporrobanás);

• nagy távolságra is gazdaságosan szállítható;

• szállítás: vízi, vasút, fluidizálva csővezetéken.

Magyarország széntelepei

Kimerülési időtartam: 200..300 év. Eddig a készlet kb. 2%-a fogyott el.


5. Hagyományos, fosszilis energiahordozók, szén, kőolaj

földgázMagyarországi készletek:

feketeszén: 600..700 Mt;

barnaszén: 1 Gt;

lignit: 3 Gt.

2. 5.2. KőolajÖsszetétele:

84-87% C, 11-14% H, 0,01-5% S, N, O, fémek H2S és víz

Elemi összetétel:

C: 79,5…88,5%, H: 10..15,5%

Történeti áttekintés

Ókor: kenőanyag, lámpaolaj XIX. sz.: cetolaj helyett petróleum

1859: Titusville, Pennsylvania (Drake, sókút)

1900-ig: szabadverseny, USA és Oroszország.

1914-ig: benzin iránti kereslet, politikai tényező lesz

1945-ig: gyors motorizáció, olajipar kiteljesedik

1973-ig: gyors iparosodás

Kőolajok típusai

• Paraffin alapúak – mélyebb rétegekben találhatóak (öregebbek). legjobbak

• Naftén vagy aszfalt bázisúak – felsőbb rétegekben fordulnak elő (fiatalabbak). leggyengébb

• Kevert (intermedier) bázisúak – közbenső zónákban vannak.

Összetétel a világ összes kőolaját tekintve:

kb. 30% paraffinok, 40% naftének, 25% aromások

Kitermelés

• Elsődleges eljárás: természetes rétegnyomás hatására → 10%;

• Másodlagos eljárás: gáz/víz visszasajtolás → +30%;

• Harmadlagos eljárás: forró gőz visszasajtolás, vegyszeres folyósítás → +40..50%

Elsődleges kitermelés:

• Gázzal működő telep (olaj a gyűrődéses boltozatban): a kőolajtest felett gázsapka foglal helyet, melynek nyomása az olajt a felszínre hajtja.

• Vízzel működő telep (kőolajtest alatt víz foglal helyet): az olajat az olaj alatti víznyomás emeli a kúton keresztül a felszínre. A termelés mindaddig egyenletes, amíg a talpi víz eléri a perforálást, ekkor a termelés befejeződik.

Másodlagos kitermelés



földgázA gáz és víz visszanyomás kombináltan.

• Gázzal: termeléssel egyidejűleg gáz visszanyomását; a felszínre került gázt kezelés után visszajuttatják a gázsapkába.

• Vízzel: visszasajtolás az olajtest alá; jobb kihozatal mint gázzal.

Előfeldolgozás:

• A kőolaj nem tisztán kerül a felszínre, nyersolaj + "szennyező" anyagok:

• sós víz (vízmentesítés),

• ásványi anyagok (elektromos sómentesítés),

• illékony (CH4, C2H6, C3H8, C4H10) szénhidrogének (stabilizálás: ellenáramban száraz földgáz (CH4) magával ragadja az illékony gázokat).

A kőolaj feldolgozása:

• Desztilláció: lepárlás atmoszférikus, vákuum

• Forrpont szerinti elválasztás:

• benzin: 40..200 °C

• petróleum: 150..250 °C

• gázolaj: 200..360 °C

• fűtő és kenőolajok, szilárd termékek, paraffin, bitumen



földgáz

3. 5.3. A FöldgázA Földgáz keletkezése, összetétele

Keletkezése: a kőolajhoz hasonlóan, leggyakrabban a kőolajtelepek telepek kísérője.

Összetétele: általában kis szénatomszámú szénhidrogénekből, legnagyobb részben metánból áll [paraffin-tartalmú gázok (CnH2n+2) keveréke].

Kitermelés

• Száraz kutakból a gáz 60..80%-át a rétegnyomás a felszínre hajtja (néha 100 bar, 7,5 km mélységből), vízelárasztással 85..95% is a felszínre hozható.

• Új forszírozott módszerek a mélyben levő, kis áteresztő képességű szerkezetek fellazítását, áttörését célozza:

• a rétegek hidraulikus repesztése,

• a szerkezet fellazítása robbantással.

Előfeldolgozás:

• A nedves gázt a gazolin-telepen

• száraz gázra és

• nyers gazolinra fizikai eljárásokkal szétválasztják: t csökkentése, p egyidejű növelése → a propánnál több C-atomot tartalmazó molekulák cseppfolyós halmazállapotba kerülnek.

• A nyers gazolint nyomás alatt desztillálják

• egyrészt cseppfolyósított PB (Liquified Petroleum Gas, LPG) -gázt előállítva, és palackozva, de PB-gáz a kőolaj-finomítás melléktermékeiből is keletkezik.

A földgáz szállítása gázként

• A tisztított száraz földgáz döntően csővezetéken szállítják a forrástól a fogyasztókig.

• A földgázhálózat részei

• nagynyomású (p>25 bar),

• nagy-középnyomású (p=25-4 bar),

• középnyomású (p=0,1-4 bar),

• városi szolgáltató (p=0,03-0,08 bar).

Nyomásfokozás nagynyomású távvezetékeknél (150..200 km-ként) gázturbinával hajtott kompresszorokkal. A földgáz áramlási sebessége 10..15 m/s.

A földgáz szállítása folyadékként

• LNG (Liquified Natural Gas) tengeri szállítása megfelelően hőszigetelt t szállítókapacitású hajókkal:

• feladó kikötő: cseppfolyósító berendezés (hűtés 160..-200 °C-ra),

• fogadó kikötő: tengervízzel melegített elpárologtató.

A folyadékfázis felett annyi metángőzt szívnak el, hogy annak párolgási hője megfeleljen a hőszigetelésen keresztül bejutó hőnek. Ez a napi 0,25-0,3%-nyi veszteség a hajó hajtására szolgál.


6. fejezet - 6. Belsőégésű motorok1. 6.1. Motorok csoportosításaKörfolyamat szerint:

• Otto

• Diesel

Ütemek szerint:

• 2-ütemű

• 4-ütemű

Hengerelrendezés szerint:

1. Soros

2. Boxer

3. V

4. Csillag

2. 6.2. Kétütemű Otto (benzin) motor működése• Nincs vezérmű berendezés, nincsenek szelepek.

• A friss keverék beömlését és a kipufogó gázok távozását, tehát a vezérlést, a hengerben lévő beömlő, átömlő, kiömlő csatornák biztosítják.

• Ezeket a dugattyú alsó, ill. felső része nyitja/zárja(m)

3. 6.3. Négyütemű Otto (benzin) motor működéseMotorok fő szerkezeti elemei:

Négyütemű motor szelepvezérlési rendszerei:

• Alulvezérelt oldalszelepelt S.V. (Standing Valve = álló szelepes)


6. Belsőégésű motorok

• Alulvezérelt felülszelepelt O.H.V (Overhead Valve = hengerfej feletti szelep)

• Felülvezérelt felülszelepelt O.H.C (Overhead Camshaft = felülfekvő vezérműtengely) (m)

• Két vezérműtengelyes D.O.H.C ( Double Overhead Camshaft = dupla hengerfej feletti vezérműtengely)

4. 6.4. A 4 – ütemű diesel motor működéseDiesel motorok tüzelőanyag ellátó rendszere:

1. Ferdeél vezérlésű adagoló szivattyús rendszer

2. Common rail befecskendező rendszer:

Egy szivattyúval nagy nyomást állítanak elő. Az elektronika gondoskodik arról, hogy az egyes porlasztók a megfelelelő pillanatban nyissanak, illetve zárjanak.

A tápszivattyú és az üzemanyag szűrők:

A tápszivattyú:

A tápszivattyúja rendszerint dugattyús amely általában az adagoló szivattyú oldalára van szerelve és annak bütykös tengelye működteti

Az üzemanyag szűrők:

A dízelmotorok tüzelő anyagát nagyon gondosan meg kell szűrni, mert a benne lévő szennyező anyagok tönkretehetik a nagy pontossággal megmunkált adagoló, porlasztó elemeket. Ezért a szűrés két fokozatú. Az elő és finomszűrők rendszerint filc, papír vagy pamut szűrőelemeket tartalmaznak.

Az adagolószivattyú működése

A befecskendező porlasztó:

Az adagoló szivattyú által szállított tüzelőanyagot finom köd formájában fecskendezi az égéstérbe. A befecskendezési nyomást a porlasztón lévő állítócsavarral lehet szabályozni.

Diesel motorok égésterei

1. Osztott égésterű motorok: IDI indirect injection

2. Osztatlan égésterű motorok: DI direct injection



Kipufogógáz turbófeltöltő.

Előnyök:

1. Kevesebb fogyasztás

2. 20-30% teljesítménynövekedés is elérhető

3. Kevesebb emisszió: NOx CO2

Problémák:

1. Késleltetett reakció (turbólyuk)

2. Gondos kenés és hűtés n=100.000-200.000 1/min. Leállás késleltetés.

3. Intercooler

4. Blow Off szelep szívócsatornába (ha leveszem a gázt)

5. Wastegate szelep kipufogó-csatornába (Túlpörgés ellen)

Levegőszűrő, kipufogó:

1. A levegőszűrő

• Kombinált: centrifugál+szálas+olajtükrös

2. A kipufogó berendezés

• Hangtompitók:

• soros, párhuzamos rezonanciakamrás megoldás

3. A kipufogócsőbe épített katalizátor feladata a kipufogó gáz tisztítása. Az első (egyágyas, oxidációs) katalizátorokban levegő befúvás segítségével a CO és HC oxidációja valósult meg, a későbbi (kétágyas, oxidációs-redukciós) katalizátorban már az NOx redukálására is sor kerül.

Motorok hűtése:

A léghűtés előnyei: nem kell hűtőfolyadék, nincs fagyveszély, könnyebb hidegindítás, az üzemi hőmérséklet gyorsabb elérése

A vízhűtés: 1. termoszifonos



2. szivattyús hűtés. belső szabályozás: termosztát

Motorok kenési rendszerei:

Ma legelterjedtebb az un. nyomóolajozás: a szivattyú 2 vagy 3 csatornán oda nyomja az olajat, ahol kenésre van szükség (forgattyús tengely, bütykös tengely, turbótöltő stb.) .

A fölösleges olaj a hengeröntvény furatain keresztül (pl. a szelepemelő szárak furatai mellett) folyik vissza az olajteknőbe


7. fejezet - 7. Motorok hatásfoka, teljesítménye1. 7.1. Motorok valóságos körfolyamataiAz indikátor diagram

Az indikált munka:

Az indikált középnyomása pi a p-V indikátordiagramban a hasznos területének közepes magassága.

A Lökettérfogat:

Ahol:

• z= hengerek száma

• D= henger átmérő (m)

• s = lökethossz(m)

Kompresszió viszony:

Ahol:


7. Motorok hatásfoka, teljesítménye

• Vl = löket térfogat (liter)

• Vc = kompresszió térfogat (liter)

2. 7.2. Motorok teljesítménye, hatásfoka1. Indikált Teljesítmény : indikátor diagramból

Ahol:



• s = lökethossz (m)

• i= 1 vagy 0.5 (2 vagy 4 ütemű)

• pi= indikált középnyomás (bar, Pa)

• n= fordulatszám (1/min, 1/sec)

2. Effektív Teljesítmény : fékpadon mért

Ahol:



• s = lökethossz (m)

• i= 1 vagy 0.5 (2 vagy 4 ütemű)

• peff= effektív középnyomás (bar, Pa)

• n= fordulatszám (1/min, 1/sec)

Effektív középnyomás: pe = ηm p⋅ ik ahol: ηm a mechanikai hatásfok

3. Súrlódási teljesítmény: Pm (veszteség)

Mechanikai hatásfok (súrlódási) :



A súrlódási teljesítmény Pm a következőkre fordítódik:

A dugattyúgyűrűkön, a motor csapágyaiban és más hajtóműrészeken keletkező súrlódás legyőzésére

4. Liter teljesítmény : fajlagos teljesítmény

Ahol:

• Peff = effektív teljesítmény

• V= löket térfogat

Diesel motorok: 30-50 kW/lit

Ottó motorok: 40-60 kW/lit

Hatásfokok

1. Jósági fok: ηj az indikált teljesítmény és az ideális gép teljesítményének a hányadosa. η j ottó = 0,4....0,7 ηj

diesel= 0,6....0,8

2. Indikált hatásfok: ηi

Ahol: B: óránkénti tüzelőanyag fogyasztás [kg/h] H = a tüzelőanyag fűtőértéke [MJ/kg]

Fűtőérték (benzin, gázolaj): H=42…44 MJ/kg

3. Effektív (v. gazdasági) hatásfok:

ηeff – az effektív teljesítmény és a tüzelőanyaggal bevitt hőteljesítmény viszonya.

ηe OTTÓ = 0.25........0,30

ηe DIESEL = 0,30.......0,45

4. Mechanikai hatásfok: ηm – súrlódás miatti teljesítmény veszteség

5. Hatásfokok közötti összefüggés:

Motorok üzemanyag fogyasztása:

Órás fogyasztás: B (kg/h) Fajlagos fogyasztás: b - teljesítményegységre vonatkoztatott



Motorok jelleggörbéi:

• Teljesítmény (effektív): P [W; kW; LE]

• Nyomaték: M [Nm]

• Fogyasztás: B [kg/h]

• Fajlagos fogyasztás: b [kg/kwh]

3. 7.3 Üzemanyag befecskendezésBenzin benzinbefecskendezés

Előnyei:

• jobb hengertöltődés, öblítés, egyenletesebb keverék-összetétel

• jobbak az indítási feltételek, nagyobb nyomaték, kisebb fogyasztás

• a motor teljesítménye, kb. 10%-kal növekszik, dinamikusabb

• javul a károsanyag kibocsátás



Bezinbefecskendező rendszerek csoportosítása

• A befecskendezés helye szerint:

• közvetlen (nagynyomású befecskendezés),

• Szívócsatorna befecskendezés, hengerenként

• Szívócső befecskendezés.

• Befecskendezés időbeli lefolyása szerint:

• Folyamatos, - szakaszos

• Vezérlés: - mechanikus, - elektronikus

• Szabályzó alapjel szerint: Légtömeg, Szívócsőnyomás stb.

Közvetlen befecskendezés

• Szakaszos, nagy nyomású befecskendezés.

• A rövid keveredés miatt, általában nem kapunk homogén keveréket.

• A benzincseppek párolgása miatt, jelentős a henger belső hűtése

• Speciális égéstér-kialakítás

• Nagy a fúvóka igénybevétele

Szívócsatorna befecskendezés

• Jó töltési fok érhető el.

• Kis nyomású rendszer, a befecskendezési nyomás 2,5-3 bar

• Lehet szakaszos, a folyamatos működésű.

• A rövid keveredési úthossz miatt, rossz a keverék homogenitása.

• Elterjedt megoldás.

Szívócső befecskendezés

• A befecskendező szelepet a légszűrő után helyezik el, a szívócső közös szakaszában a fojtószelep előtt.

• A befecskendezés általában folyamatos általában 1 bar nyomással.

• A hosszabb keveredési út miatt, optimális a benzin-levegő keverék.

• Nem azonos az egyes hengerek keverékellátása

Diesel motorok befecskendezési rendszere Common Rail system


8. fejezet - 8. Hőerőművek energia ellátása. Kazánok, gőzturbinák1. 8.1. Hőerőművek körfolyamataHőerőművek tüzelőanyagai:

Természetes eredetű

• szilárd energiaforrás a fa, tőzeg, barnaszén, kőszén,

• folyékony energiaforrás az ásványolaj (kőolaj),

• gáznemű energiaforrás a földgáz,

• a nap, a víz és a szél.

Mesterséges energiaforrások:

• szilárd a szén (koksz, brikett stb.),

• folyékonyak az ásványolaj lepárlási termékei (benzin, gázolaj stb.),

• gázneműek (pl. a szén lepárlási termékei, a bontott gázok kohógáz, generátorgáz, világítógáz, propán, bután, hidrogén stb.).

Széntüzelésű kondenzációs hőerőmű

A Rankine-Clausius körfolyamat

A valóságos Rankine-Clausius körfolyamat:

A valóságban nincs (reverzibilis) állapotváltozás:

• Szivattyúban - entrópia nő

• Turbinában - entrópia nő

Nedves gőz állapotot, apró vízcseppek csapódnak ki, melyek a nagy sebességgel forgó lapátoknak ütközve eróziót okoznak:

A gőzt túlhevítik - száraz gőz

2. 8.2. KazánokLángcsöves kazánok

Előnyök

• Teljesen hűtött, besugárzott tűztér

• Terhelésingadozásra érzéketlen

• Tápvízre nem kényes

• Könnyen tisztítható

Hátrányok


8. Hőerőművek energia ellátása. Kazánok, gőzturbinák

• Kis teljesítmény

• Hosszú felfűtési idő

• Nagy helyszükséglet

• Korlátozott nyomás

Vízcsöves kazánok

Természetes cirkulációjú kazánok

Kényszerkeringetésű és kényszeráramlású kazánok

Előnyök

• Nagy teljesítmény

• Nagy nyomás

• Kisebb füstgázoldali ellenállás

• Rövidebb felfűtési idő

Hátrányok

• Kisebb rugalmasság

• Tápvíz minőségére kényes

• A tisztítás bonyolultabb

Olajégők, gázégők

3. 8.3. Gőzturbinák:A svéd Gustav de Laval 1883-ban készítette az első egyfokozatú gőzturbinát.

A gőzturbinák alapvető funkciója az, hogy a kazánban megtermelt gőz termikus energiáját a turbina lapátjain mechanikai energiává alakítsa. Ezt a mechanikai energiát a generátor villamos energiává alakítja. Gőzturbinák típusai:

Parsons turbina:

Sir Charles Parsons angol mérnök szerkesztette. A gőzturbina tengelyére szerelt futólapátsorra a turbinaház



belső falán rögzített fúvókákból gőz áramlik, aminek hatására a turbina forog. A gőz nyomásának több lépcsőben való felhasználását teszi lehetővé. Tipikusan erőművekben és hajókban alkalmazzák.

Kondenzátorok:

A kondenzátorban történik a gőzturbinában expandált, termikus-mechanikai energiaátalakításra már alkalmatlan gőz cseppfolyósítása (kondenzációja), a gőz kondenzációs hőjének elvonása a környezetbe (általában hűtővízzel).

A kondenzátorok konstrukciója alapján

• felületi (csőköteges, hűtővíz-kondenzálódó gőz felületen keresztül érintkezik),

• keverő (hűtővíz-kondenzálódó gőz közvetlenül érintkezik),

Tápvíz-előmelegítők

A tápvíz-előmelegítők feladata a tápvíz felmelegítése a gőzturbina megcsapolásaiból kivett gőzzel a kondenzátor hőmérsékletéről a gőzfejlesztőbe való belépés hőmérsékletére.

A tápvíz nyomása szerint:

• kisnyomású

• nagynyomású

Levegő előmelegítők:

Ljüngstrom levegő előmelegítő: A forgódobban lévő lemezek váltakozva érintkeznek a füstgázzal és a levegővel. Regeneratív hőcserélő.

Hőcserélők:

Hűtőtornyok csoportosítása



Nedves: - nyitott - zárt

Száraz: - Heller-rendszer természetes, vagy mesterséges (ventilátor) léghuzatú

Hatásfoknövelés hőerőművekben:

Hatásfoknövelés módjai:

Expanzió kezdeti paraméterének növelése:

• Nyomás növelése

• Gőz hőmérséklet növelése

• Újrahevítés

• Kondenzátor-hőmérséklet csökkentése

• Tápvíz előmelegítés

• Levegő előmelegítés


9. fejezet - 9. Gázturbinák, kapcsolt és kombinált ciklusú erőművek1. 9.1. GázturbinaElőnyök

• Igen kedvező teljesítmény/súly viszony

• Nagyon gyors üzemkészség

• Rezgésmentes üzem

Hátrányok

• Viszonylag alacsony hatásfok,

• Jelentős kompresszió munka,

• Korlátozott élettartam

• Nagy mennyiségű kipufogógáz

Egytengelyes stabil gázturbina fő részei:

Egytengelyes zárt ciklusú gázturbina

Gázturbinás sugárhajtómű

Kétáramú gázturbina

Kétáramú gázturbinának azt hívják, amikor az első kompresszorfokozatok után a légáram kettéválik, az egyik


9. Gázturbinák, kapcsolt és kombinált ciklusú erőművek

felét további kompresszorfokozatok sűrítik, majd az égéstérbe jut, a másik fele viszont kívül kerüli meg az égésteret és a turbinafokozatot, és csak a fúvócsőben egyesül újra a két légáram. Ez a megoldás gazdaságosabb üzemeltetést tesz lehetővé, és a fúvócsőben csökkenti a gázkeverék hőmérsékletét.

Utánégető:

A további tolóerő növelésre szolgál az utánégető, amelynél a hajtóműből kiáramló, még mindig viszonylag oxigén gazdag égéstermékbe üzemanyagot porlasztanak, és azt elégetve további plusz teljesítményt érnek el.

2. 9.2. A kapcsolt energiatermelésElőfeltétele a megfelelő hőigény:

• távhőigény (távfűtés, ipari gőzellátás)

• közelhőigény (lakótömb, több épület fűtése)

• központi hőigény (egy épület hőellátása)

• saját, egyedi hőigény: saját üzem, ipar egyedi hőellátása, közintézményi hőigény egyedi ellátása, lakossági fűtés és használati melegvíz-készítés

Kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés CHP (Combined Heat and Power Technology)

Kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés esetén a folyamatnak két értékesíthető terméke van: a hő és a villamos energia. A kapcsolt hő- és villamosenergia-előállítás felhasználja a hulladék hőt az erőműhöz közeli hőfogyasztók hőigények kielégítésére.

A kapcsolt energiatermelés főbb típusai

1. Gőzturbinás típusok (első nemzedék)

1. elllennyomású gőzkörfolyamattal

2. elvételes, kondenzációs gőzkörfolyamattal

2. Gázturbinás típusok (második nemzedék)

1. egyszerű hőhasznosítással

2. összetett gáz- és gőzkörfolyamat

3. Gázmotoros típusok (belső égésű motorok)

4. Tüzelőanyag-elemekkel (üzemanyag-cellákkal)

Kapcsolt energiatermelés hatásfoka

Gőzturbinás típusú kapcsolt energiatermelés (első nemzedék)

• elllennyomású gőzkörfolyamattal

• elvételes, kondenzációs gőzkörfolyamattal



Ellennyomású gőzturbina +fűtés elvezetés

Kétirányú gőzáram

Elvételes szabályzott vill. + hő energia termelés



Gázturbinás típusú kapcsolt energiatermelés (második nemzedék)

• Gázturbinás típusú kapcsolt energiatermelés egyszerű hőhasznosítással

• Kombinált ciklusú kapcsolt energiatermelés összetett gáz- és gőzkörfolyamat

Gázturbinás típusú kapcsolt energiatermelés egyszerű hőhasznosítással.

Hőkiadás gázturbina hulladék hőjéből.

Kombinált ciklusú kapcsolt energiatermelés:


10. fejezet - 10. Atomerőművek1. 10.1. Atomerőműben lejátszódó folyamatAtomerőmű: magreakciók felhasználásával villamos energiát szolgáltató létesítmény

Föld energiafelhasználásának a 17%-át atomerőművek adják. (Fr. 78%)

Reaktor: Az a berendezés, ahol a magreakciók lejátszódnak

Blokk: Egy reaktor és a hozzá tartozó gépészeti és villamos berendezések összessége

A magreakció:

2. 10.2. A hasadó anyag bányászata, előkészítéseA természetes urán 99,3 %-a 238-as, 0,7 %-a pedig 235-ös izotóp. Az U-238-as csak igen ritkán hasad.

Érc oldása H2SO4-ben

Dúsítás ( 3..6% 235U -re)

Gázdiffúziós eljárás Gázcentrifuga

Hasadó anyag

• Hasadóanyagok: 235U, 233U, 239Pu, 241Pu

• Fertilis anyagok: 238U, 232Pu, 240Pu

• Általában kerámia (UO2), régebben fém, esetleg karbid (UC)

• Általában pasztilla

3. 10.3. A reaktor felépítéseAz aktív zóna felépítése

1. hasadóanyag: dúsított urán ( 3..6% 235U)

2. lassító közeg (moderátor): H2O, D2O, C (grafit)

3. szabályozó közeg: B, BC, Cd

4. hűtőközeg (H2O, CO2, He, foly. fém);

Fűtőelem, Fűtőelemköteg

Fűtőelem Az üzemanyagpasztillák és az őket tartalmazó hermetikusan lezárt fémcső

Anyaga manapság cirkónium, régebben acél

Fűtőelemköteg: Más néven kazetta

Fűtőelemek négyzet vagy háromszögrácsban. Esetleg körülveszi kazettafal (palást)

A legkisebb önálló egységként mozgatható komponens. Többnyire néhány száz fűtőelem

Hűtőközeg


10. Atomerőművek

• Feladata a szerkezeti elemek, mindenek előtt fűtőelemek hűtése

• A hő elszállítása további hasznosításhoz

• Folyadékok: H2O, D2O, folyékony fémek

• Gázok: CO2, He

• Elgőzölgéssel (forralóvizes reaktor), vagy anélkül (nyomottvizes)

• Esetenként azonos a moderátorral

4. 10.4. Az atomerőmű-építés fejlődése:A) Első generációs atomerőművek

Az 1950-60-as években fejlesztették ki

Egyesült Államokban (Shippingport, Dresden, Fermi),

Szovjetunióban (Obnyinszk, Novovoronyezs-1 stb.)

B) Második generációs atomerőművek:

A ma üzemelő atomerőművek 80-90%-át alkotják.

Az első generációsblokkok továbbfejlesztése:

gazdaságosabbá, biztonságosabbá és üzembiztosabbá váltak.

A Paksi Atomerőmű blokkjai is ebbe a generációba tartoznak.

C, Harmadik generációs atomerőművek: (evolúciós atomerőművek)

Csernobili események a kutatókat és tervezőket az atomerőművi koncepciók teljes újragondolására kényszerítették.

Legfontosabb sajátosságaik:

• szabványosított terv valamennyi típusra,

• egyszerűbb kialakítás

• belső (inherens) biztonság és a passzív védelmi tulajdonságok

• kevesebb kiégett üzemanyag keletkezésére vezet

D, Negyedik generációs (innovatív) atomerőművek:

Az Egyesült Államok kormányzata néhány évvel ezelőtt kezdeményezte olyan új típusú atomerőművek kifejlesztését, amelyek 2025–2030 körül állhatnak üzembe:

Legfontosabb sajátosságaik:

• A keletkező hulladékok minimalizálása

• Az erőművek biztonságának fokozása

• Gazdaságosság

Forralóvizes reaktor BWR (Boiling Water Reactor)


10. Atomerőművek

Nyomottvizes reaktor VVER (Paks)

Pressurized Water Reactor, PWR

Nehézvizes atomerőmű

Pressurized heavy-water-moderated and -cooled reactor, PHWR

Kanadai változat: CANDU Canada deuterium-uranium

Gázhűtésű atomerőmű

A: gas cooled graphite moderated reactor (CO2)

B: andvanced gas cooled reactor (He)

IV. Generációs atomerőművek


10. Atomerőművek

Radioaktív hulladékok

Kis aktivitású radioaktív hulladékok

Közepes aktivitású radioaktív hulladékok

Nagyaktivitású radioaktív hulladékok

• Rövid felezési idejűek (kisebb, mint 10 év)

• Közepes felezési idejűek (10-30 év)

• Hosszú felezési idejűek (30-109 év)

• Nagyon hosszú felezési idejűek (> 109 év)

1 tonna kiégett üzemanyag tartalma

955 kg urán (benne ~ 8 kg 235U), 10 kg plutónium, 1 kg Másodlagos Aktinida, 34 kg hasadási termék

Plutónium felhalmozódás a világon:2000-ig: ~ 1300 tonna, 2000 után: ~ 80 tonna/év

Fúziós reaktorok

A könnyű atommagok összeolvadásakor, fúziójakor felszabaduló energiát hasznosító berendezés.

Ma két teljesen eltérő magfúziós megoldáson dolgoznak a kutatók:

• lézeres mikro robbantások technikája – ennél a parányi üzemanyag-cseppecskét intenzív lézersugarakkal hevítik fel és nyomják össze, míg létrejönnek a fúzió feltételei (USA)

• mágneses terekkel tartják össze a százmillió fokra felhevített plazma állapotú üzemanyagot, a hidrogén nehéz izotópjait

A legsikeresebb berendezéstípus a tokamak, ebben gyűrű (tórusz) alakú térrészbe zárják a plazmát.

5. 10.5. Atomerőmű Paks: adatokA paksi atomerőmű négy, VVER-440 típusú blokkját 1982-87 között helyezték üzembe.

Négy blokkjának névleges teljesítménye 2009-től: 500MW x 4=2000 MW.

Magyarország villamos energia termelésének kb. 40%-át adja.


11. fejezet - 11. Vízerőgépek, szélerőgépek1. 11.1. VízenergiaA vízi energiát leggyakrabban egy gáttal elrekesztett folyó vagy patak vizének felhasználásával vízturbinák és elektromos generátorok nyerik ki és villamos energia formájában szállítják el.

Vízenergia eredete:

• Napsugárzás: hidrológiai ciklus → felszíni vízfolyások szél → hullámzás áramlatok és hőmérsékleti rétegződés.szállított foly. menny. (m3/sec)

• Klímaváltozás: gleccserek olvadása.esésmagasság [m]

• Planetáris mozgás: gravitáció → árapálynehézségi gyorsulás [m/s2]

Vízikerekek: alulcsapott, felülcsapott, középen csapott

2. 11.2. VízerőművekFolyami vízerőművek fő részei:

Előnyök:

• Nem használ fosszilis tüzelőanyagot.

• A víz ingyen van.

• A vízutánpótlás folytonos.


11. Vízerőgépek, szélerőgépek

• Nem keletkezik veszélyes hulladék.

• Áradások kezelése, hajózhatóság biztosítása.

• Nincs üvegházgáz kibocsátás.

• A mesterséges tavak változatos élővilágnak adnak otthont.

• A mesterséges tavak pihenés és üdülés céljára is rendelkezésre állnak.

Hátrányok:

• A gátak visszatartják a hordalékot, iszapot és egyéb uszadékot.

• A gátak visszatartják a tápanyagok egy részét.

• A gátak megakadályozzák a szükséges tavaszi (tápláló) áradásokat.

• Az iszap és az üledék idővel feltölti a tavat.

• A gátak mögött felgyülemlenek a nehézfémek és az egyéb mérgező vegyületek.

• Időnként iszapkotrás szükséges (az iszap veszélyes hulladék is lehet).

• A gátak építése az élővilág radikális átalakulásával jár.

Vízerőmű telepítéskor meglévő adottságok:

Vízhozam: Q (m3/sec) A szintkülönbség duzzasztással növelhető.

Szintkülönbség (esés): H (m) Az ingadozó vízhozam tározóval kiegyenlíthető

Teljesítmény:

Ahol:

• Q szállított foly. menny. (m3/sec)

• H esésmagasság [m]


• ρ sűrűség [kg/m3]

• ηTturbina hatásfoka

• ηGgenerátor hatásfoka

3. 11.3. A vízturbinákPelton turbina: A Pelton turbinát gyorsfolyású hegyi folyókra tervezik.

Fordulatszáma egy sugárcsővel 4-30 [1/min], több sugárcsővel 30-70 [1/min]

Francis turbina: A Francis-turbina a közepes esésű és közepes vízhozamú vízerőművek turbinája.

A víz a járókerékre radiális irányban lép be és axiális irányba lép ki. Fordulatszáma 60-450 (1/min) lehet

Kaplan Turbina:



A víz függőleges tengelyirányban érkezik az állítható lapátú járókerékre, majd jut az alvízbe.

A Kaplan-turbinának mind a járókerék, mind a vezetőkerék-lapátjai állíthatóak.

A propeller-turbinának csak a vezetőkereke állítható, a járókerekei fixen vannak az agyba erősítve.

Csőturbina: Vízszintes tengelyű csőturbinát kis vízierőművekben alkalmazzák. A víz itt szinte irányváltoztatás nélkül halad át a turbinán

Bánki turbina



• Kétszeres átömlés

• Kis jellemző fordulatszám

• Jó elméleti hatásfok

Szivattyús-tározós erőmű: A szivattyús energiatározó vízerőművek tulajdonképpen csupán energia tárolására szolgálnak. Az energiafogyasztási csúcsok folyamán használják energiatermelésre, úgy hogy két különböző szintmagasságú víztározó között a magasabban fekvőből az alacsonyabban fekvőbe engedik át a vizet egy vízturbinán keresztül.

Magyarország vízerő-potenciálja: 1000 MW melyből

• Duna72% Dunán nincs erőmű

• Tisza10%Tiszalök 11,5 MW, Kisköre 28 MW

• Dráva9%

• Rába, Hernád5%Rába, Hernád és mellékfolyóin törpe, kis erőművek

• egyéb4%

4. 11.4. A szélenergia hasznosításaA szélerőgépek a levegő mozgási energiáját alakítják át forgási energiává.

A szélből kinyerhető energia függ:

• a levegő sűrűségétől,

• a rotor által súrolt felülettől,

• a szél sebességétől,

• a erőgép saját veszteségeitől.

A fejlesztések iránya:

• lapáthossz növelése → szilárdsági korlát!

• az oszlopmagasság növelése → gazdaságossági korlát!

A szélerőgépek:

1. A szélerőművek 2-4 m/s kezdik el működésüket

2. Névleges teljesítményük 12-16 m/s értéken érik el

3. A szélerőmű fékrendszere legnagyobb szélsebességre méretezni 25-30 m/s viharos szélnél leállítják őket

4. Szélirány-beállító berendezés szükséges

Szélerőgépek telepítése

Szempontok:

• Szélsebesség, szélirány

• A domb effektus

• Környezetvédelmi aspektusok



• Villamos hálózati csatlakozás közeli lehetősége

• Közlekedés

• Geológia, hidrológia

• Tájesztétika, stb.

Szélturbina felépítése

Szélturbina teljesítménye:

A légtömegek mozgási energiáját alakítja mechanikai energián keresztül villamos energiává:

Ahol:

• ρ≈1,2 kg/m3 a levegő sűrűsége,

• v (m/s), a levegő áramlási sebessége,

• A (m2), szélkerekek súrolta felület,

• φ transzmissziós tényező: f (adott szélirányba való befordulás, lapátprofil, állítható lapátok),

• ηG generátor hatásfok

Szélgenerátorok az energiatermelésben

• Kicsi és különálló turbinák

10 kW tartomány alatt Szigetüzem

• Hibrid energiarendszerek



10-150 kW tartományban Kombinált üzem

• Közép- illetve nagyméretű szélturbinák

150-4000 kW tartomány Kapcsolt üzem


12. fejezet - 12. Elektromos energia ellátás1. 12.1. Elektromos energiaA legjobb használati értékű szekunder energiahordozó.

A villamos energia előállítható:

1. Hőerőművekben: fosszilis tüzelőanyagok kémiailag kötött energiájából hőerőművekben (CO2-kibocsátás)

2. Atomerőművekben: nukleáris üzemanyagok atommagban kötött energiájából (C-mentes)

3. Megújuló energiaforrásokból: (C-mentes),

• víz-, szélerőművek, fotovoltaikus (PV) napelemek,

• biomassza és geotermikus fűtőerőművekben

Magyarországon:

~5,2 millió háztartási (lakossági),

84 ezer termelő ági és ~280 ezer nem termelő ági fogyasztó

A villamos energia előnyei:

• minden fogyasztóhoz rugalmasan elszállítható;

• jó hatásfokkal, könnyen átalakítható a fogyasztó számára az adott helyen éppen szükséges energiaformává (fény, hő, mozgási energia stb.);

• a felhasználás helyén nem szennyez;

• megfizethető

Villamos energia termelés alakulása a Földön


12. Elektromos energia ellátás

A források Magyarországon Terawatt hoursTWh (1TWh=1.000.000.000.000Wh)

• Alaperőművek és az energiatermelés összetétele:

• Hő (szén, bio-massza) (6,346 TWh szén), (2,444 TWh biomassza)

• Atom (15,426 TWh nukleáris)

• Menetrendtartó

• Vízi (0,228 TWh víz) (0,331 TWh szél)

• Hő (szénhidrogén-származékok)

• Csúcs

• Gázturbinás

• Import-kooperáció

Magyarország A globális lehetőségek és várható (megoldandó) igények a villamos energia iparban



Magyarországon a villamosenergia-termelés egy átlagos napja

2. 12.2. Magyarország villamos energia rendszereA villamosenergia-igény változásai

• A villamos energia gazdaságosan nem tárolható

• A termelésnek egyensúlyban kell lennie a fogyasztással.

• A hálózatra kapcsolt összes fogyasztó együttes működéséhez szükséges teljesítményt terhelésnek nevezzük.

3. 12.3. A villamos energia hálózat elemei:



Villamosságtani alapfogalmak:

A villamos jelenségek alapja az elemi töltések létezése

A villamos töltés jele: Q [1C=1As]

Feszültség, U [V], mV, kV, MV

Áramerősség, I [A], pA, nA, µA, mA, kA

Ellenállás, R [Ω], m Ω, k Ω, M Ω, G Ω

Vezetés, G [S], kS, mS, µS

Teljesítmény, P [W], mW, kW, MW

ρ, fajlagos ellenállás [Ωmm2/m, Ωm]

Nagyfeszültségű szabadvezeték: 120 kV

Távvezeték sodrony…

Anyaga: Al, Aludur, Al-acél.

220 kV-nál két vezetővel, 400 kV-nál három vezetővel, 750 kV-tól 4-8 db vezetővel.

Egy vezető keresztmetszet: 250-500 mm2.

Összes vezető keresztmetszete: 250-2000 mm2.

Soros ellenállás: r’ = 0,12 … 0,015 W/km.

Transzformátorok

Transzformátorok: villamos energiából villamos energia

1885: Első zárt vasmagú transzformátor, Bláthy, Déri és Zipernowszky szabadalma alapján a Ganz gyárban

Transzformátor: vasmag és az ezen elhelyezett egy vagy több tekercs

Vasmag általában lemezelt az örvényáramú veszteség csökkentése miatt

Az indukált feszültség az N1 és N2 menetű tekercsekben

A feszültségáttétel:

4. 12.4. Aszinkron villanymotorLegfontosabb jellemzői:

• Legegyszerűbb szerkezetű forgógép

• Legelterjedtebb, üzembiztos gép

• Egy- és háromfázisú változat is létezik, 1 kW felett általában háromfázisú

• Motorként és generátorként is használható

• Két fő szerkezeti egység: állórész és forgórész

Szerkezeti felépítés

Állórész:



• lemezelt (örvényáramok csökkentése miatt)

• háromfázisú tekercs, térben 120°-os eltolással

Forgórész:

• lemezelt és hengeres

• lehet tekercselt (csúszógyűrűs) vagy rövidrezárt (kalickás)

A forgórész fordulatszáma kisebb, mint szinkron fordulatszám

A forgórésznek a forgó mezőhöz képesti relatív lemaradását, csúszását szlipnek nevezzük:

Aszinkron motor nyomatéka

Érintésvédelmi eljárások:

Az érintésvédelmi módok megakadályozzák, hogy a testek tartósan (hosszabb ideig) veszélyes érintési feszültség alá kerüljenek.

Főbb megoldásai:

• A villamos szerkezet elszigetelésével (kettős vagy megerősített szigetelésű szerkezet alkalmazása)

• Védelem a táplálás önműködő lekapcsolásával (földelés, nullázás, védőkapcsolások)

• Biztonsági törpefeszültségű táplálással (általában 50 V-nál nem nagyobb)


13. fejezet - 13. A napenergia hasznosítása1. 13.1. A napsugárzásA napenergia kimeríthetetlen és a legtisztább energiaforrások egyike.

Magyarországon:

Napsütéses órák száma: kb. 2000 óra/év

A sugárzás intenzitása. Kb. 1200 Kwh/m2


13. A napenergia hasznosítása

A napenergia hasznosítása

Hasznosítási formák:

1. Passzív hasznosítás: az építmény szerkezeti kialakításával, tájolásával

2. Aktív hasznosítás:

• fototermikus hasznosítás: (napkollektor) felhasználásával hővé alakul

• fotovillamos hasznosítás: nap sugárzási energiája közvetlenül alakul át elektromos energiává

Passzív napenergia hasznosítás:

Az építmény szerkezeti kialakításával, tájolásával

Aktív napenergia hasznosítás

2. 13.2. Fototermikus hasznosítás: (napkollektor)Napkollektorok típusai:

• Folyadékos:

• Síkkollektor: (szerpentin, párhuzamos, csoportos, spirál)

• Vákuumcsöves napkollektor

• Levegő hőhordozós (átlátszó fedőréteg, abszorber, szigetelés)

Sík kollektorok felépítése:

Folyadék munkaközegű fedett sík-kollektor elvi felépítése

Sík kollektorok beépítése



Napkollektor veszteségei

A vákuumcsöves napkollektor elve

1. Heat-pipe rendszer

2. U-pipe rendszer + CPC tükör Compound Parabolic Concentrator



A vákuum csöves napkollektor beépítése

Napkollektorok hatásfokai



Levegő hőhordozós napkollektor

Fő részei: átlátszó fedőréteg, abszorber, szigetelés



Szoláris farmok

3. 13.3. Fotovillamos napenergia hasznosítás (napelemek)Történeti áttekintés: 1839 Becquerel: fényelektromos hatás

Félvezető anyagok:

• Szilícium (Si) (leggyakoribb)

• Gallium-arzenid (GaAs)

• Kadmium-tellurid (CdTe)

• Réz-indium-diszelenid (CuInSe2)

Egy napelemcella általános felépítése

Szilícium (Si) alapú cellák

• A PV cellák jelentős része ezzel a technológiával készül.

• A szilícium-dioxid (SiO2) a cellagyártás alapanyaga. Finomítás → tisztítás → olvasztás → újrakristályosítás → cellagyártás.

• Foszfort és bórt használnak szennyezőként a félvezető rétegek előállításához (n-p rétegek).

• A rétegeket egyesítik: létrejön a fotovillamos cella.

Szilícium (Si) alapú cellák fő típusai:

Monokristályos:

A szilícium alapanyagot egy-kristállyá húzzák, majd szeletelik.

Méret: 150 mm. Hatásfokuk 15-17%.

Polikristályos:

Irányított lehűlési gradiensű öntési eljárással nyerik oszlopos egykristályokból.



Méret: 500mm. Hatásfokuk 13-15 %, gyártásuk olcsóbb.

Amorf:

A szilíciumot hordozó anyagra például üvegre, gőzölik fel (ón-dioxid majd amorfszilíciium).

Hatásfokuk rossz :4-6 %, élettartalmuk rövid, olcsó.

Inverterek:

Inverter: DC/AC átalakítás 230/400 V

Szükséges inverter teljesítmény és inverter kiválasztása:

Napelem hatásfoka:

Ahol:

• Pm a fényelem által leadott maximális teljesítmény,

• E a napsugárzás energiája (W/m2),

• Ac a napelem felülete (m2)

A napenergia alkalmazása a mezőgazdaságban:

1. Növényházak fűtése

2. Tehénfarm melegvízellátása

3. Szénaszárítás, szemestermény szárítás

4. Gyümölcsaszalás


14. fejezet - 14. Energiatermelés biomasszából1. 14.1. A szilárd halmazállapotú biomassza• Fa

• Mezőgazdasági melléktermékek

• szalma, kukoricaszár/csutka

• Gabona szalma, repce szalma, napraforgószár

• Malomipari melléktermékek (napraforgóhéj, ocsú)

• Fásszárú energianövények

• Vágástéri hulladék

• Ide tartozik a fakitermelés melléktermékeként keletkező:gally, kéreg,

• Faipari melléktermékek

• a fafeldolgozás során keletkező ipari melléktermékek (forgács, fűrészpor)

Fás szárú energiaültetvények

Sarjaztatásos termesztés

• Az ültetvény élettartama alatt többször is betakarítható faanyag

• Vágásforduló max. 5 év, fenntartási ideje > 15 év;

• Telepíthető fafajok:

Akác– szárazabb területekre

Nyár– üde termőhelyeken

Fűzfélék– vizenyős területeken

Hengeres v. mesterséges felújításos

• Az ültetvény élettartama végén egyszeri faanyag kitermelés

• Vágásforduló = fenntartási idő max. 15 év

• Telepíthető fafajok:: Akác, nyár, fűzfélék + szil, kőris, vörös tölgy, bálványfa, fekete dió, stb.(Rédei, 2010)

Lágyszárú energianövények

• Energianád (kínai nád) (15–25 t/ha)

• Energiakender (80-120 t/ha)

• Cirok (12-15 t/ha)

A mezőgazdasági fő és melléktermékek energetikai felhasználási módjai :


14. Energiatermelés biomasszából

• tüzeléstechnika

• pirolitikus elgázosítás

• metános erjesztés (biogáz)

• növényi olaj és szesz előállítás (motor hajtóanyag).

2. 14.2. A betakarítás, apríték készítésA begyűjtés során célszerű a tömörítésük, mivel (ömlesztett) formában csak energiaigényesen szállíthatók.

Bálázással tömöríthetők a mezőgazdasági melléktermékek közül:

• szalma

• kisebb méretű szár (pl. repceszár)

• energiacélú növények (len, energiafű, energianád, stb.)

Fás szárú energianövények zúzásos betakarítása

Apríték készítés

Szerkezeti megoldásuk alapján az aprítógépek: tárcsás, dobtengelyes, vagy csigás aprítók



3. 14.3. Energetikai tömörítvényekA tömörítés legfontosabb célja a sűrűség növelése, ami javítja:

• a tárolási helyigényt,

• a rakodás feltételeit,

• a tűztérbe juttatás és az égés feltételeit,

• a fajlagos energiasűrűséget (GJ/m3),

• esetenként a nedvességtartalmat.

A tömörítés módja:

Brikettálás:

• dugattyús préssel (egyirányú, kétirányú, háromirányú prés)

• csigás préssel (nyomócsigás, őrlőcsigás)

Pelletálás: (sík matricás, henger matricás)

A brikettálás

A gyártás alapelve:

• kis frakcióméretű alapanyag biztosítása (főként mechanikai aprítással)

• a tömörítés célgépekkel, kötőanyag felhasználása nélkül történik

• a présgépben lévő nyomás 800–1600 bar

• az alapanyag térfogata csökken (tömörítési viszonyszám 1:4-1:12)

• a térfogati sűrűség jelentősen nő

• az alapanyag a kívánt idomú briketté alakul.

A brikettáló présgépek lehetnek:

• dugattyús prések (egyirányú, kétirányú, háromirányú prés)

• csigás prések (nyomócsigás, őrlőcsigás)

A biobrikett energiahordozó, ezért lényeges, hogy az előállításához felhasznált energia kevesebb legyen, mint a belőle kinyerhető. Minél nagyobb sűrűségű tömörítvényt készítünk, annál nagyobb az energia-felvétel.

A présgépek lehetnek: Mechanikus présgép

Hidraulikus présgép



A Pelletálás

A pelletálás a biobrikett-gyártás speciális változata.

• Korábban takarmányozási célú pelletet állítottak elő, de napjainkban igen elterjedt a tűzipellet gyártása.

• A biobrikett – mint energiahordozó – igen kedvező tulajdonságokkal rendelkezik. Hátránya viszont, hogy méretei miatt kis tüzelőberendezések esetében nem – vagy csak nehezen – oldható meg a tüzelőanyag automatizált betáplálása.

• Ehhez az 5-10 mm átmérőjű, és 10-25 mm hosszúságú pellet jobban megfelel (csigás vagy cellás adagolóval jól adagolható a tűztérbe).

A Pelletálás berendezései

A járókerék (görgő) az anyagot átpréseli egy perforált felületen, közben őrlést is végez. A pelletálás során kisebb sűrűségű végtermék (0,7-0,9g/cm3) keletkezik, mint brikettálás (1-1,1g/cm3) során.

Manipulálás, tárolás

A tüzelőanyag tárolótérből a kazánhoz való juttatásának módjait befolyásolja a tüzelőanyag fajtája és



aprítottsági foka.

A berendezések lehetnek:

• csigás kitárolók (homogén és száraz anyaghoz)

• éklétrás kitárolók (nedves, inhomogén anyaghoz).

4. 114.4. KazánokA brikett tüzelése

• A brikettek fűtőértéke az alacsony nedvességtartalma miatt nagyobb, mint a tűzifáé.

• A begyújtáshoz égés segítők szükségesek.

• A brikettek térfogata az égés során általában 1,3-2,0-szeresére duzzad, ezért a tűzteret sohasem szabad teljesen megtölteni (30-50%-ig előnyös).

• A szalma brikettnél a fához képest több hamu marad (8-10%), és jó hőtartó képességekkel rendelkezik. A brikettek kandallókban és kazánokban is elégethetők

Apríték tüzelése

• Hasonló módon automatizálható a kazán táplálása és a hamu ürítése.

• Az apríték olcsóbb lehet, mivel a préselési költséget nem viseli, viszont a pellet nagyobb sűrűségű, kisebb a helyigénye, az összetétele is homogénebb.

Faelgázosító kazánok

A korszerű faelgázosító kazánok jó hőszigetelt tűztérrel, fokozatmentes vezérlésű füstgáz elszívó ventillátorral, szabályozott primer- és szekunderlevegő bevezetéssel rendelkeznek. Hatásfokuk általában 90% fölötti.

Szalmabála égető kazán

• Rostély nélküli egyteres kazán


15. fejezet - 15. Energia gazdálkodási alapfogalmak, energia felhasználás lehetőségei1. 15.1. Erőművek hatásfokaHatásfok: a befektetett energia és a hasznos munka aránya

Ahol:

• Wh a hasznos munkavégzés,

• Eö pedig az összes, befektetett energia

Az energiaátalakítás mennyiségi hatásfoka: h = (Evill + Qhő )/ B = Evill / B + Qhő /B

Áramszám: s = Evill/Qhő

Ahol:

• Evill hasznos termelt villamos energia,

• Qhő hasznos termelt hő energia,

• B bevezetett tüzelőanyag energiája

Néhány erőmű adata Magyarországon

Veszteségcsökkentési módok

• Jobb hatásfokú berendezések

• Szivárgások, elfolyások, kipárolgások csökkentése

• Hőveszteségek csökkentése (hőszigetelés)

• Az üzemeltetés optimalizálása

• Veszteséghasznosítás

• Energiaforrás változtatása (pl. megújuló energiák)

Költség fajták

• beruházási költségek(tervezés, kivitelezés, stb)

• üzemeltetési költségek (energia, bér, segédanyag, karbantartás, vizsgálatok, stb.).

• általános költségek (igazgatás, épületfenntartás, fejlesztés, stb)

Energiagazdálkodás szempontjából: állandó+változó ktsg.


15. Energia gazdálkodási alapfogalmak, energia

felhasználás lehetőségei

2. 15.2. Energiatermelés és felhasználásAz energianyerés jövőbeni alakulása

Az egy főre jutó energiafelhasználás

Az uniós energiapolitika

Az uniós energiapolitikában a következő témakörök kapnak kiemelt szerepet:

1. az ellátásbiztonság,

2. az európai energiapiac integrációja,

3. a megújuló energiaforrások felhasználásának növelése,

4. az energiahatékonyság, takarékosság ösztönzése

Hagyományos energiahordozók területén:

1. kapcsolt hő-, és villamosenergia-termelés

2. energiatakarékosabb világítás, épületek hőszigetelése.

3. kombinált fluid tüzelés



felhasználás lehetőségei4. villamos energia tárolása

Megújuló energiák területén:

1. napelemek hatásfokának javítása,

2. integrált, biogázt hasznosító gázturbinák,

3. biomassza elgázosítás,

4. hidrogéntermelés, üzemanyagcellák,

5. lakóházakban a megújuló energiák használata

Magyarország energia ellátása

• Nagymértékű a gáznemű és cseppfolyós energiahordozó import.

• A hazai termelés jelentéktelen.

• A cseppfolyós energiahordozók jelentős részét a közlekedés és a vegyipar használja

• A gáznemű energiahordozók nagy részét a lakosság és a villamos energiaipar használja fel

A Magyar energiafelhasználás megoszlása

A teljes hazai energiamérleg



felhasználás lehetőségei


16. fejezet - Felhasznált irodalom1. 1. fejezet1. Dr. Tóth Péter, Dr. Bulla Miklós, Dr. Nagy Géza (2011),

Energetikahttp://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop425/0021_Energetika/ch02.html

2. ftp://ftp.energia.bme.hu/pub/energetikai_alapismeretek

3. www.cebc.hu/ppt/Energetika2009/Horvath%20Szilvia.ppt

4. Sembery Péter – Tóth László (szerk.): Hagyományos és megújuló energiák Bp. : Szaktudás K., 2004. 522 p., ill. ISBN 963-9553-15-8

2. 2. fejezet1. Dr. Író Béla. Egyszerû állapotváltozások, az I. fõtétel és az entalpia filetype:ppt

2. Dr. Író Béla. Kalorikus gépek körfolyamatai filetype:ppt

3. Dr. Író Béla. Gőz körfolyamatok filetype:ppt

4. users.atw.hu/me-gepesz/hotan/MT1.doc

3. 3. fejezet1. Dr. Író Béla: Hő- és Áramlástan Gépei filetype:ppt




5. 5. fejezet1. ftp://ftp.energia.bme.hu/pub/energetikai_alapismeretek/energia hordozók

6. 6. fejezet - 7. fejezet1. http://lezo.hu/szerkezettan/tankonyv/tankonyv-web/hajtas/hajtas.html

2. zeus.nyf.hu/~jmgt/letolt/belsoegesu/karb_befecs.pp

3. http://www.auto.bme.hu/sites/default/files/emoddugattyusjovo.pdf





Felhasznált irodalom


4. Tóth László (2012) Alternatív energiaellátási rendszerek az agrárgazdaságban. SZIE. Gödöllő. CD


8. 9. fejezet1. www.enpol2000.hu/files/ENKON%20-Járosi-2004.pp

2. ftp://ftp.energia.bme.hu/pub/bsc/energetika/8temakor.ppt

3. Dr. Író Béla. Gázturbinák filetype:ppt

4. ftp://ftp.energia.bme.hu/pub/Tananyagok...kepzes.../Hoellatas1.5.ppt

9. 10. fejezet1. Csom Gyula, Fehér Sándor, Szieberth Máté IV. generációs reaktorok és

transzmutáció.13s.hu/pub/reaktortechnika/IV_gen_SZM.ppt

2. Nagyné Dr. Szabó Andrea ATOMENERGIA FELHASZNÁLÁSA ÉS KÖRNYEZETI HATÁSAI .ppt

3. ftp:// energetika.13s.hu/pub/.../reaktortechnika-szerkezetifelepites_02.ppt

4. ftp://ftp.energia.bme.hu/pub/energetikai_alapismeretek/energia átalakítás.ppt

5. Forrás: www.cebc.hu/ppt/Energetika2009/Suli%20Janos.pp

10. 11. fejezet1. ftp://ftp.energia.bme.hu/pub/Tananyagok.../BSc.../8temakor_2.ppt

2. ftp://ftp.energia.bme.hu/pub/.../EA_003E-Energetika_Vízenergia.ppt

3. rkk.uniobuda.hu/kmi/...msc/szakmai_kornyezetvedelem_2.pp

4. Dr. Író Béla: Hő- és Áramlástan Gépei (AG_011_1)

5. www.ewea.org/.../EWEA_Hungary_Policy_Workshop_2-2_Antal_B

11. 12. fejezet1. energia.bme.hu/~kaszas/MEF/Rendszer10.ppt

2. www.beszterce-st.sulinet.hu/dokum/energia8.ppt

3. magyarmuszakiertelmisegnapja.bme.hu/downloads/.../4-Berta.ppt

4. www.sze.hu/~torda/ppt/Elektrotechnika-előadás-9-10.ppt

5. www.sze.hu/~torda/ppt/Elektrotechnika-előadás-8.pp

6. blazsovics.webposta.hu/.../motorok%20jelleggörbéi.ppt

7. Stróbl A. Energiamérlegekről (előadás) Budapest, 2010. május 15.

8. http://www.e-villamos.hu/?action=showid=421


Felhasznált irodalom


12. 13. fejezet1. Bitai András ftp://ftp.energia.bme.hu/.../Napenergia(1)%20 Altalaban%20 6

2. Bitai András ftp://ftp.energia.bme.hu/pub/Tananyagok.../Napenergia-Q.ppt

3. (Forrás: http://napkollektorok.hupont


13. 14. fejezet1. Marosvölgyi Béla (2003): Felkészítés gépei. In: Erdészeti gépek. (Szerk.: Horváth Béla) Szaktudás Kiadó

Ház, Budapest

2. Tóth László (2012) Alternatív energiaellátási rendszerek az agrárgazdaságban. SZIE. Gödöllő. CD

3. http://www.filtra-tech.de/wp-content/uploads/2011/12/

4. http://hulladekonline.hu/files/173/


14. 15. fejezet1. Forrás: www.cebc.hu/ppt/Energetika2009/Suli%20Janos.pp

2. IEA: World Energy Outlook 2004

3. NEMZETI ENERGIASTRATÉGIA, 2010

4. Magyarország Megújuló Energia Hasznosítási Cselekvési terve, 2010-20

5. Stróbl A. Energiamérlegekről (előadás) Budapest, 2010. május 15

6. realzoldek.hu/dok/GTTSZ/GTTSZ-Strobl-2008-XP.ppt

7. Brennstoff–Wärme–Kraft, 61. k. 10. sz. 2009. p. 9

8. ftp://ftp.energia.bme.hu/pub/.../Energiagazd.../eloadas_09_05.ppt

9. TÁMOP-4.1.2.A/1-11/1-2011-0085 sz. projekt – Biomassza előállító potenciál szakmai adatbázisa (2013)


regi.tankonyvtar.hu · web viewaz energetika az energiahordozók és források kitermelésével/...

Documents